国外废弃矿井可再生能源开发利用现状及展望

对于世界上的很多国家来说，矿产资源能够为国民经济和社会发展提供所必须的能源与原材料，带动大量就业，因而备受重视。但随着矿产资源的深入开采以及各国因生态环境问题而选择逐步淘汰传统化石能源，大量的地下巷道、硐室被废弃。据统计，世界范围内废弃矿井的数量超过100万座[1]。废弃矿井引起资源浪费的同时带来严重的环境与社会问题，因此如何科学开发利用废弃矿井资源，促进资源枯竭型矿区转型，成为当今世界能源环境领域的重要议题。国外对关闭矿井的开发关注较早，并已形成多种开发模式，主要有旅游科普教育型、地下储库型、废弃物处置场型、伴生资源开发型和特殊试验场所型5种基本模式[2]。当前，发展可再生能源已成为世界各国推进能源转型的核心内容和应对气候变化的重要途径。在可持续发展与绿色经济的背景下，国外对废弃矿井与可再生能源利用相结合的研究与实践也随之兴起，特别是采矿业发达或地下空间开发技术相对先进的国家诸如美国、德国、加拿大、澳大利亚等相继出现许多成功模式案例。

近年来，对废弃矿井资源的开发利用引起我国学者和社会各界的广泛关注，在废弃矿井的太阳能、地热、储能利用等方面均开展了技术研究，实践中也出现多种创新模式，如“光伏+生态治理模式”、“光伏+水产养殖模式”、“光伏+农业种植模式”等，但目前整体而言，我国废弃矿井资源开发利用处于试验阶段，基础理论研究薄弱，关键技术不成熟，且存在地质条件复杂、阶段性关闭/废弃矿井数量大等特殊条件[3]，因此亟需在借鉴国外成功模式的基础上研究建立符合我国国情的废弃矿井可再生能源开发利用模式，并总结形成一套完整的管理体系。笔者通过文献分析法，系统梳理国外废弃矿井太阳能、风能、地热能等可再生能源开发利用及地下空间储能技术的发展现状与典型案例，分析总结其开发利用特点及对我国废弃矿井可再生能源开发利用的主要经验启示，并在此基础上提出相关政策建议，为我国废弃矿井可再生能源开发利用战略提供参考。

1 国外废弃矿井可再生能源利用技术

1.1 太阳能、风能

国外用于废弃矿井的商用太阳能发电技术主要包括聚光光伏发电技术(CPV)和聚光光热发电技术(CSP)，见表1。CSP系统通常需要大面积的连续且相对平坦的土地以及大量的水，同时还能存储能量。CPV系统能够安装于较小的土地区域之上、不需要很多水并且各种不同规模的项目均具有成本效益。目前废弃矿井太阳能发电项目的很多成功案例都采用了先进的CPV技术，如美国新墨西哥州Chevron Questa矿光伏发电项目。它是在美国环保局superfund基金资助下，由雪佛龙公司于2011年在0.08 km2的废弃尾矿库上建成，发电容量1 MW[4]。该项目是美国最大的废弃矿区光伏发电项目，且无论是从选址、技术装备、商业化运营模式还是政府所发挥的作用及优惠鼓励政策方面都有很多可复制推广的成功经验。也有采用CPS技术在废弃矿区进行太阳能发电的成功案例，如德国目前最大的废弃矿井光伏发电项目——莱比锡区的Meruo矿光伏发电项目，总装机容量166 MW。该项目已利用可再生能源技术培育出了一个新的产业，解决了许多矿工再就业安置问题，为矿区经济复苏做出了重要贡献，被认为是德国废弃矿区开发再利用并成功转型的典范。

总体来看，在废弃矿区开发太阳能发电项目的关键技术包括：①满足可再生能源来源的要求，即矿区所处地域需要充足的光照条件；②满足地面要求。CPV项目选址灵活，地面平坦或陡峭都可安装，而CSP项目需要有大面积连续且相对平坦的土地，且在沉陷区开发时，还要增加对矿区地址稳定性的评估与潜在沉降率的分析；③满足对水源的要求，以及考虑尘土对太阳能发电效率的影响。目前，废弃矿井太阳能发电项目仍然存在初期投资大、回收期长、发电成本高、转化效率低以及环境和地域限制等问题。

废弃矿井风能利用的主要方式为风力发电。国外利用风力发电早在20世纪初就开始了，目前的风能发电技术已经较为成熟，形成了适应复杂条件的建设运行技术。从世界范围看，无论是生产矿区还是废弃矿区，都有安装风力发电系统的项目案例，见表2。

由表2可知，已建成的较大规模风力发电项目多位于美国，三者都为废弃的露天煤矿，所发的电量都能上网，满足周围居民的用电需求。德国鲁尔矿区许多废弃矿山排土场上已经实施了风力发电项目，并且能够实现连续发电[5]。总体来看，目前虽然各国利用废弃矿区土地进行了大量的风力发电可行性探索研究，但仍未新城可推广的成熟模式。主要的技术限制在于，一般的风电机组质量较小，因而对于机组安装的地面要求较高，所以从选址的角度看，在采煤沉陷区一般较少考虑风力发电项目。国外目前运行的废弃煤矿风力发电项目都是利用露天煤矿废弃地，且部分项目采用了土地加固技术。

在废弃矿井区域开展风能、太阳能的开发利用，除了能够利用矿井及周边大量闲置的土地外，还可以利用已经建成的基础设施，如道路和输电线路等，为矿区创造更多就业岗位，推动能源结构转型。为此，国外十分重视相关技术的基础研究，韩国开展了在7个废弃矿井区域内建设光伏发电系统潜力的相关研究，并且进一步研究了在酸性废弃矿井排水处理设施上和露天矿坑口建立小规模光伏系统的可行性[6-8]。美国环保局和国家可再生能源实验室联合实施了“重振美国土地项目”，评估在美国废弃矿区土地上开发光伏与风电系统的可能性[9]。

1.2 矿井水蓄热

矿井水蓄热技术是将矿井水作为热源或者散热器，回收废弃矿井水中的地热能资源的技术，可分为闭环回路和开环回路2种。其技术难点在于：确定合适的矿井地热容量；建立双向循环系统；水体污染风险控制技术以及考虑矿井水水文地质参数对管道换热的影响。国外对于利用矿井作为地热能利用的热源和冷源的研究较早，目前已有很多从关闭矿井淹没区回收地热能的成功案例和设备。目前商业化开发最为成功的是荷兰的海尔伦(Heerlen)煤矿[10]。由于矿井水质问题，系统采用开环回路设计。二期项目于2013—2014年建成，从示范项目升级为可再生能源基础设施完善的全流程项目，并证实了该项目极具商业可行性。2014年后进入“矿井水3.0”时代，其设计理念及目标是：在建筑物和矿井水网络中增加热源和冷源存储，并建立需求和供给侧管理系统。通过对供需双侧的智能化控制，实现各建筑物集群建间以及与主干管网的实时能量交换和储存，最终实现各集群的能量自给自足。

加拿大早在1990年之前就通过热泵系统对新斯科舍省斯普林希尔已关闭的乐佩克坎艾姆(Ropak Can Am)煤矿的地下热能进行了利用。该煤矿安装的热泵系统在冬天提供环流供暖的同时，在夏天提供环流供冷，这是加拿大首批安装的设备之一。系统采用开环回路设计，从关闭的矿井140 m深处取水，泵入矿井水表面的其他位置，共有11台热泵，可以为16 700 m2的建筑物进行供热或供冷。该项目于1990年获得了加拿大能效奖。2018年，加拿大萨塞克斯市计划利用废弃矿井水开发地热能，总投资额约5 600万元，预计2020年开始可让萨塞克斯市及周边地区的居民和企业用上绿色能源[11]。在关闭矿井的地热能利用方面，德国虽然没有较大规模的项目，但根据公开的研究资料显示，德国有较多矿井水地热利用工程，见表3。

总体而言，国外废弃矿井水蓄热应用方面，大多都是浅层地热技术的应用，且十分重视废弃矿井地下空间、矿井水、地热能等多种资源的协调开发利用，例如前述荷兰海尔伦煤矿的矿井水蓄热项目，在利用地热能的同时，实现了生物质能-热电联供、太阳能、余热利用等多种可再生能的综合利用。还有很多是利用地热能为利用废弃矿井地上或地下空间建立的采矿展览馆、地下宴会厅和音乐厅等建筑物来取暖，如加拿大乐佩克坎艾姆煤矿、挪威维斯伯格银矿等。

1.3 抽水蓄能与压缩空气储能

受到自然条件的限制，可再生能源具有不稳定性和间歇性的缺点，而且多数具有规模小、分布分散等特点，影响电力系统的稳定性和安全性。储能技术能够维持电力系统稳定性，是可再生能源大规模接入电网和常规电力削峰填谷的必然要求。目前大规模商业系统中运行的储能技术有抽水蓄能和压缩空气储能两种[12]。抽水蓄能具有技术成熟、效率高、容量大、储能周期长等优点，是目前广泛使用的电力储能系统[13]。压缩空气储能系统也具备大容量、长时间电能存储的特点。废弃矿井中与地面存在巨大、高落差的空间使得发展抽水蓄能发电和压缩空气储能成为可能，且与常规储能设施相比，改造费用相对较低，还可节省地表的土地资源，减少地表环境的破坏。因此，国外发达国家对抽水蓄能、空气压缩储能等技术进行了大量的研究，并已进入示范阶段。

美国1993年在新泽西州建成的霍普山抽水蓄能电站，其下水库利用的是地下约760 m深处已废弃的矿洞，其有效库容均为620万 m3，装机容量为204万 kW。该电站由闭合循环水体发电，具有频繁快速的工况变化能力，可适应一天之内作20次工况变化。机组从停止状态转为发电状态只需1分钟，从旋转备用到满负荷的80%状态只需10 s[14]。德国开展了利用废弃金属矿井建立全地下抽水蓄能电站，以及在鲁尔区废弃煤矿井建造半地下抽水蓄能电站的可行性研究[15]。2017年，德国煤炭巨头鲁尔集团(RAG)决定与杜伊斯堡-埃森大学合作，将Prosper-Haniel煤矿改造成一个抽水蓄能设施。Prosper-Haniel煤矿也将成为世界上第一个被用作储能设施的废弃煤矿。改造工程将通过在煤矿上下层建设蓄水池实现。下层蓄水池长约25 km、深达1.2 km，可存储超过100万 m3的水，抽水蓄能电站将作为储能设施参与调峰，以弥补可再生能源电的波动性缺陷，同时为依赖传统能源的地区带来新的经济增长动力。为了实现在2025年前将可再生能源比重提高至30%的目标，当地政府还将进行更多类似改造[16]。

国外学者对废弃矿井压缩空气储能也进行了大量理论和实验研究，并逐步推进在工程实践中的应用。1978 年，德国建成了世界上第一座商业化运行的压缩空气储能电站，输出功率 290 MW[17]。1991年5月，第二座压缩空气储能电站在美国阿拉巴马州麦金托什地区投入运行，发电容量110 MW[18]。两座电站从建成以来一直运行良好。此外，日本、俄罗斯、法国、意大利、卢森堡、以色列等国家也已开发此类技术多年[19]。

总体来看，目前废弃矿井抽水蓄能发电的能量转化率可达到80%左右，而压缩空气储能部分技术的能量转化率在40%～70%。

2 国外废弃矿井可再生能源开发利用的特点

2.1 完善的法规体系与政策保障

国外对于废弃矿井的管理侧重矿井全生命周期的系统管理，尤其注重矿井关闭程序、矿井开发过程中占有的土地复垦和环境修复过程，因此目前的政策法规多数针对废弃矿井再利用之前的土地复垦和生态环境治理等方面，如德国的《矿井关闭指南》《废弃矿井瓦斯抽采规范》、芬兰的《矿山关闭手册》等，未见关于废弃矿井可再生能源开发利用的针对性政策，但是美国、德国等在可再生能源开发利用方面有着较为完善的调控监管计划和市场调节机制，如可再生能源配额制度、新能源补贴、税收优惠和退税、贷款担保、清洁可再生能源债券计划等，这些政策从客观上促进了废弃矿井可再生能源的开发利用。

2.2 科学合理的规划与管理机制

国外的政府部门和矿山企业都十分重视废弃矿井资源开发利用的前期可行性研究。项目规划注重经济、社会和生态环境的协调发展，综合考虑区域经济水平、劳动力水平、能源消费、市场环境、就业及环境情况等因素，且会通过第三机构充分论证后再予以实施。为了促进废弃矿井可再生能源的开发工作，一般都会成立专门机构负责监督管理。如美国环保局成立了专门的废弃矿山土地工作组，与各州办事处共同负责为社区和其他矿区土地利益相关方开发可再生能源提供项目可行性分析和技术支持。加拿大成立了一个政府——产业间工作机制以及由多方共同参与的全国废弃矿山委员会，其主要职责是监督加拿大废弃矿区相关的法律政策框架，为其持续改进提出建议；具体管理工作由自然资源部及各州专门机构负责。

2.3 多元化投资与市场化运营模式

国外废弃矿井可再生能源项目的资源来源除政策性补贴外，还有多种渠道：加拿大废弃矿井可再生能源开发利用的资金由联邦政府、省政府、矿山联合会和勘探开发联合会共同组成；美国新墨西哥州Chevron Questa矿光伏发电项目由美国政府机构EPA、州政府机构以及私人团体共同出资；德国最大的废弃矿井太阳能开发利用项目资金由3家银行提供。荷兰海尔伦废弃矿井地热项目的资金来源从国家及地方政府扩大到欧盟。此外，市场化的运营模式也是国外废弃矿井开再生能源成功开发利用的保障，以“公益基金+社会捐赠+市场收益”为主要模式[20]。商业化最成功的荷兰海尔伦废弃矿井地热项目由海尔伦市政府全额出资成立的矿井水公司进行全面市场化运营。

2.4 重视科研投入与技术创新

分析目前国外几种形式的废弃矿井可再生能源开发利用成功案例可以发现，其根源在于政府及相关矿业企业十分重视废弃矿井可再生能源开发利用的基础研究。美国、加拿大等国家均建立了废弃矿山的GIS信息数据库，并对外公开部分信息，供不同群体参考和使用。美国还建立了矿井处理优先级清单和环境治理与安全治理评价指标体系。波兰、芬兰、德国均十分重视科研投入，注重各种新技术的综合应用，尤其是在抽水蓄能和压缩空气能方面，更是与当地的可再生能源发展战略相结合，开展了深入的理论研究和技术示范[20]。

3 对我国的参考借鉴与相关建议

3.1 强化顶层设计，构建废弃矿井全生命周期系统管理利用理念

废弃矿井资源利用是一种减少资源浪费、保护环境、促进矿业可持续发展的先进理念，近年来我国很多矿井都是在去产能政策的倒逼机制下完成的政策性关闭，对于废弃矿井各类资源等的利用缺乏提前规划和系统管理意识。废弃矿井的资源利用是一个长期、系统、复杂的工程，十分需要加强顶层设计，因此建议国家组建专门机构牵头组织实施废弃及关闭矿井资源开发利用的各项工作，建立各利益相关方共同参与的工作机制。对拟建新矿井的城市，在进行矿井的初步设计时，应结合城市的总体规划，将矿井服务期满后的再利用问题统一考虑，以减少二次利用时的改造费用[21]；对于新建矿井企业要求在设计之初就对矿井关闭后各类资源利用提出综合性的开发利用规划，并支付相关的专项治理费用，促进各方逐步建立起废弃矿井全生命周期系统管理利用理念。

3.2 统筹规划管理，完善废弃矿井可再生能源开发利用法规体系

目前，我国在废弃矿井生态开发方面主要集中于土地复垦和生态修复，而对于接续产业培育重视不足[3]。未来应在借鉴国外成功经验的基础上，将废弃矿井纳入区域经济和社会发展中统筹部署、科学规划。在综合评估废弃矿井土地利用条件的基础上，结合可再生能源资源需求等情况，遵循安全、科学、环保、经济的原则，分类评估废弃矿井的开发利用价值，可分为“重点开发”、“潜在开发”和“不开发”等类型[22]。对于适宜建设的废弃矿井，引导企业作为管理废弃矿井政策的一部分，将可再生能源开发利用相关技术及应用方法、适应性条件等列入废弃矿区开发利用总体规划中，并由政府牵头，摸清废弃矿井周边土地、建筑设施等的性质及权属等，统一规划工程项目，统一规范用地政策，使废弃矿井可再生能源利用与能源发展、产业转型发展战略有机对接。在不断总结实践经验及借鉴国外经验的基础上，修正当前现有矿山管理法律法规，确定矿井从摇篮(一次开发)到新生(二次开发)全生命周期内各利益主体职责，在法律层面明确废弃矿井资源的矿业权和审批权；条件成熟时，可设立废弃矿井资源利用法。通过补缺政策上的缺失和短板，逐步健全和完善我国废弃矿井可再生能源开发利用的法规体系，强化行业监管。

3.3 加大政策力度，探索新型投资机制和商业模式

由于可再生能源技术成本和生产成本都高于传统能源，各类可再生能源的利用技术及项目开发，都离不开政府在政策和资金上的大力支持。建议国家加大财政支持力度，设立矿井关闭退出专项基金，用于资产处置、塌陷区治理、新产业引导等；出台支持废弃矿井地上地下资源协同开发利用的产业政策，并优先支持废弃矿井企业进行开发；出台废弃矿井可再生能源项目专项税收减免或者优惠政策，以鼓励更多企业和社会参与投资建设；建设废弃矿井再利用的投资金融体系，明确产权与利益分配机制。地方政府则应解决好各类资源矿权重叠等难题，并在土地利用、电网接入、示范项目申报许可、建设规模指标等方面给予相应支持，营造利于废弃矿井可再生能源项目落地的营商环境，促进废弃矿井可再生能源项目落地。矿业企业也应转换思维方式，重视挖掘废弃矿井资源潜力，把井下与地上资源整合起来，进行全产业链协同开发，积极探索废弃矿井可再生能源项目建设、运行等新型投资机制及商业模式。

3.4 开展示范试点，形成废弃矿井可再生能源利用标准

废弃矿井可再生能源开发利用需建立在科学而全面的评估基础之上，而目前我国对大量已关闭矿井的基本情况了解不够，特别是具有再开发利用价值的一批大中型废弃矿井。因此建议由行业主管部门组织，开展一次对废弃矿井数量、位置、封存状态、地质条件、资源赋存情况、区域经济及社会发展水平、市场需求与经济性等基本信息与参数进行系统调研普查，尽快建立国家级废弃矿井数据库和信息共享平台，并对全国矿山企业实行动态信息跟踪管理，适时提出废弃矿井利用优先级清单，为未来推荐开发利用提供全面而详实的数据支撑。

我国各类矿井的资源禀赋条件各不相同，矿井废弃后原有地面基础设施和井巷条件也是千差万别，因此建议通过国家重大专项研发平台，在前期矿井资源条件评估的基础上，对可再生能源开发利用的安全性、科学性、技术经济可行性进行评估，选取技术可靠、经济可行、资源综合利用效率高的项目进行示范，并以示范工程为基础，形成废弃矿井可再生能源利用的装备、设计、施工及项目运行标准规范体系。在条件许可地区，采用政府与企业共同投资的模式，建立废弃矿井可再生能源产业示范区，以点带面，推动我国废弃矿井可再生能源开发利用进程。

3.5 加强科研投入，创建技术创新平台

废弃矿井可再生能源开发利用是一项涉及多学科研究领域和多技术集成的系统工程，因此亟需加大科研投入和技术创新力度。构建废弃矿井可再生能源利用技术路线图，通过设立国家重点研发计划课题和专项重点研发基金，加强不同类型矿井可再生能源适用技术与系统优化的基础研究；创建技术创新与成果转化平台，鼓励高校、科研院所与企业联合攻关，实现产学研协同推进，共同推动废弃矿井可再生能源产业化关键技术的研发与攻关，特别是在采用大数据分析等技术手段建立可再生能源为主、分布式电源多元互补的废弃矿井新能源微电网技术体系方面快速取得突破。在此基础上，选择不同地区、不同地质条件、不同类型矿井开展先导性工程试验和生产，以尽快形成具有我国自主知识产权的废弃矿井可再生能源技术体系，不断提高我国废弃矿井可再生能源利用的效率和水平。

4 结语

废弃矿井资源利用是一种减少资源浪费、保护环境、促进矿业可持续发展的先进理念，而如何开发利用好废弃矿井资源是世界性难题。总体来看，美国、德国、英国等发达国家已在废弃矿井可再生能源开发利用的理论研究与实践拓展方面取得了一定进展，虽仍未形成可大规模推广的成熟模式，但这些研究成果和经验模式对我国废弃矿井可再生能源开发利用提供了很好的参考借鉴。

随着煤炭资源的逐步减少和近年来实施的煤炭去产能政策，未来我国将出现大量的废弃矿井。根据中国工程院重点咨询项目“我国煤炭资源高效回收及节能战略研究”研究结果表明，预计到2020年，我国关闭/废弃矿井数量将达到12 000处，到2030年数量将到达15 000处。如何实现废弃矿井资源再利用，推动资源枯竭型地区转型发展是我国面临的亟待解决的新课题。我国废弃矿井资源开发利用难度大，同时能源结构、技术水平、产业政策等具有自身特点，因此无法直接照搬国外利用模式，而是需要在借鉴国外成功模式的基础上研究建立符合我国国情的废弃矿井可再生能源开发利用模式，以“典型示范与稳步推广相结合，开发利用与经济发展相适应，安全优先和成本效益相统一，立足长远和科学布局相协调”为原则，走智能精准开发之路，并逐步总结形成一套完整的管理体系与规范标准。

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